Схемы и методы для обеспечения емкостного сенсорного зондирования

Емкостной метод биометрической идентификации ... (June 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Схемы и методы для обеспечения емкостного сенсорного зондирования


В этой статье представлены некоторые основные конфигурации схем замыкания и обсуждается, как работать с низкочастотным и высокочастотным шумами.

Вспомогательная информация

  • Электрические поля и емкость
  • Факторы, влияющие на емкость
  • Цепи осциллятора Op-Amp
  • Положительный отзыв

Предыдущая статья

  • Введение в емкостное сенсорное зондирование

Измерение изменений

Если вы прочли предыдущую статью, вы знаете, что суть емкостного сенсорного ощущения - это изменение емкости, которое происходит, когда объект (обычно палец человека) приближается к конденсатору. Наличие пальца увеличивает емкость: 1) вводит вещество (т. Е. Человеческую плоть) с относительно высокой диэлектрической постоянной и 2) обеспечивает проводящую поверхность, которая создает дополнительную емкость параллельно с существующим конденсатором.

Конечно, тот факт, что изменения емкости не особенно полезны. Чтобы на самом деле выполнить емкостное сенсорное зондирование, нам нужна схема, которая может измерять емкость с достаточной точностью, чтобы последовательно идентифицировать увеличение емкости, вызванное присутствием пальца. Существуют различные способы сделать это, некоторые довольно простые, другие более сложные. В этой статье мы рассмотрим два общих подхода к реализации емкостных функций; первая основана на постоянной времени RC (резистор-конденсатор), а вторая основана на сдвигах по частоте.

Постоянная времени RC - как старый друг

Если вы похожи на меня, вы испытываете смутные чувства университетской ностальгии, когда видите экспоненциальную кривую, представляющую напряжение на зарядном или разрядном конденсаторе. Есть что-то в этом роде, возможно, это был первый случай, когда я понял, что более высокая математика действительно имеет какое-то отношение к реальности, или, может быть, в этом возрасте у роботов-уборщиков есть что-то привлекательное в отношении простоты разрядного конденсатора. В любом случае, мы знаем, что эта экспоненциальная кривая изменяется при изменении сопротивления или емкости. Предположим, у нас есть RC-схема, состоящая из резистора 1 МОм и емкостного сенсорного датчика с типичной безликой емкостью 10 пФ.

Мы можем использовать контакт ввода / вывода общего назначения (сконфигурированный как выход) для зарядки крышки датчика до логического высокого напряжения. Затем нам нужен конденсатор для разрядки через большой резистор. Важно понимать, что вы не можете просто переключить состояние вывода на логический минимум. Вывод ввода-вывода, сконфигурированный как выход, будет приводить к логическому низкому сигналу, то есть он будет обеспечивать выход с низкоимпедансным соединением с наземным узлом. Таким образом, конденсатор быстро разряжается через этот низкий импеданс - настолько быстро, что микроконтроллер не может обнаружить тонкие временные изменения, создаваемые небольшими изменениями емкости. Здесь нам нужен высокоимпедансный штырь, который заставит почти весь ток разряжаться через резистор, и это может быть достигнуто путем настройки штифта в качестве входа. Поэтому сначала вы устанавливаете вывод как выход с логической высотой, затем фазу разряда запускают путем изменения штифта на вход. Результирующее напряжение будет выглядеть примерно так:

Если кто-то касается датчика и тем самым создает дополнительную 3 пФ емкости, постоянная времени будет увеличиваться следующим образом:

Время разряда не очень отличается по человеческим меркам, но современный микроконтроллер наверняка обнаружит это изменение. Предположим, у нас есть таймер с тактовой частотой 25 МГц; мы запускаем таймер при переключении вывода в режим ввода. Мы можем использовать этот таймер для отслеживания времени разряда, настроив тот же вывод, чтобы он работал как триггер, инициирующий событие захвата («захват» означает сохранение значения таймера в отдельном регистре). Событие захвата будет происходить, когда напряжение разряда пересечет логический низкий порог вывода, например 0, 6 В. Как показано на следующем графике, разница во времени разряда с порогом 0, 6 В составляет ΔT = 5, 2 мкс.

С периодом таймера с таймером 1 / (25 МГц) = 40 нс этот ΔT соответствует 130 тикам. Даже если бы изменение емкости было уменьшено в 10 раз, мы бы по-прежнему имели 13 тиков разницы между нетронутым датчиком и сенсорным датчиком.

Поэтому идея состоит в том, чтобы повторно заряжать и разряжать конденсатор, контролируя время разряда; если время разряда превышает заданный порог, микроконтроллер предполагает, что палец входит в контакт с сенсорным конденсатором (я помещаю «контакт» в кавычки, потому что палец никогда не касается конденсатора, как упоминалось в предыдущем статья, конденсатор отделен от внешней среды маской припоя и корпусом устройства). Однако реальная жизнь немного сложнее, чем представленная здесь идеализированная дискуссия; источники ошибок обсуждаются ниже в разделе «Работа с реальностью».

Переменный конденсатор, переменная частота

В реализации с частотным сдвигом емкостный датчик используется как часть «C» RC-генератора, так что изменение емкости вызывает изменение частоты. Выходной сигнал используется как входной сигнал в счетный модуль, который подсчитывает количество нарастающих или спадающих краев, которые происходят в течение определенного периода измерения. Когда приближающийся палец вызывает увеличение емкости датчика, частота выходного сигнала осциллятора уменьшается, и, следовательно, счетчик краев также уменьшается.

Так называемый релаксационный генератор является общей схемой, которая может быть использована для этой цели. Это требует нескольких резисторов и компаратора в дополнение к сенсорному конденсатору; это кажется намного более трудным, чем описанная выше техника заряда / разряда, но если ваш микроконтроллер имеет интегрированный модуль компаратора, это не так уж плохо. Я не буду подробно разбираться в этой схеме осциллятора, потому что 1) это обсуждается в другом месте, в том числе здесь и здесь, и 2) кажется маловероятным, что вы захотите использовать осцилляторный подход, когда есть много микроконтроллеров и дискретных ИС, которые предлагают высокопроизводительные емкостные сенсорные функции. Если у вас нет другого выбора, кроме как создать собственную схему емкостного сенсорного зондирования, я думаю, что описанная выше техника заряда / разряда более проста. В противном случае, сделайте свою жизнь немного проще, выбирая микроконтроллер с специальным аппаратным обеспечением с сенсорным экраном.

Емкость емкостного смысла в микроконтроллерах EFM32 от Silicon Labs является примером интегрированного модуля, основанного на подходе релаксационного осциллятора:

Мультиплексор позволяет управлять частотой колебаний восемью различными сенсорными конденсаторами. Благодаря быстрому циклическому переходу через каналы чип может эффективно контролировать восемь сенсорных кнопок одновременно, поскольку рабочая частота микроконтроллера настолько высока относительно скорости, с которой движется палец.

Работа с реальностью

Система емкостной сенсорной чувствительности будет страдать как высокочастотным, так и низкочастотным шумом.

Высокочастотный шум вызывает незначительные изменения выборки к образцу в измеренном времени разряда или счетчике. Например, описанная выше схема бессеточного заряда / разряда может иметь время разряда 675 тиков, затем 685 клещей, затем 665 клещей, затем 670 тиков и т. Д. Значимость этого шума зависит от ожидаемого изменения индуцированного пальцем времени разряда. Если емкость увеличивается на 30%, ΔT будет 130 тиков. Если наше высокочастотное изменение составляет всего около ± 10 тиков, мы можем легко отличить сигнал от шума.

Однако увеличение емкости на 30%, вероятно, будет близким к максимальному количеству изменений, которое мы могли бы разумно ожидать. Если мы получаем только 3% -ное изменение, ΔT составляет 13 тиков, что слишком близко к уровню шума. Одним из способов снижения эффекта шума является увеличение величины сигнала, и вы можете сделать это, уменьшив физическое разделение между конденсатором печатной платы и пальцем. Часто, однако, механическая конструкция ограничена другими факторами, поэтому вам нужно сделать все возможное, какую бы величину сигнала вы ни получили. В этом случае вам необходимо снизить уровень шума, что может быть достигнуто путем усреднения. Например, каждое новое время разряда можно сравнить не с предыдущим временем разряда, а со средним значением последних 4 или 8 или 32 раз. Обсуждаемая выше техника частотного сдвига автоматически включает усреднение, поскольку небольшие изменения вокруг средней частоты не будут существенно влиять на количество циклов, отсчитываемых в течение периода измерения, который является длинным относительно периода колебаний.

Низкочастотный шум относится к долгосрочным изменениям емкости датчика без пальцев; это может быть вызвано условиями окружающей среды. Такой шум не может быть усреднен, поскольку вариация может сохраняться в течение очень длительного периода времени. Таким образом, единственный способ эффективно справляться с низкочастотным шумом - это адаптироваться: порог, используемый для идентификации присутствия пальца, не может быть фиксированным значением. Вместо этого его следует регулярно корректировать на основе измеренных значений, которые не имеют значительных краткосрочных изменений, например, вызванных падением пальца.

Вывод

Методы реализации, описанные в этой статье, демонстрируют, что емкостное сенсорное зондирование не требует сложного аппаратного или сложного программного обеспечения. Это, тем не менее, универсальная, надежная технология, которая может обеспечить значительное улучшение производительности по сравнению с механическими альтернативами.